FR3114195A1 - Antenna with improved coverage over a wide frequency domain - Google Patents
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Abstract
Antenne à couverture améliorée sur un domaine de fréquence élargi L’invention concerne une antenne (1) comprenant un élément d’antenne (5) rayonnant apte à émettre un signal dans au moins deux bandes de fréquence disjointes et un guide d’ondes (7) recouvert par l’élément d’antenne rayonnant, comprenant deux cavités (11 ; 13) résonantes emboîtées et chacune monomode ou majoritairement monomode dans une bande de fréquence distincte. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.Antenna with improved coverage over a widened frequency domain The invention relates to an antenna (1) comprising a radiating antenna element (5) able to emit a signal in at least two separate frequency bands and a waveguide (7 ) covered by the radiating antenna element, comprising two nested resonant cavities (11; 13) and each monomode or predominantly monomode in a distinct frequency band. Figure for abstract: Fig. 1.
Description
La présente invention concerne une antenne apte à émettre avec une couverture large dans plusieurs bandes de fréquence permettant à elle-seule de réaliser plusieurs fonctions distinctes de communication.The present invention relates to an antenna capable of transmitting with wide coverage in several frequency bands allowing itself to perform several distinct communication functions.
Les véhicules spatiaux sont équipés d’antennes qui assurent pendant les phases de vol la communication entre ces véhicules et les stations au sol.Space vehicles are equipped with antennas which ensure communication between these vehicles and ground stations during the flight phases.
Ces antennes servent notamment à la télémesure, la trajectographie, ou au système de positionnement par satellites (« Global Navigation Satellite System », « GNSS »). La réalisation de ces fonctions peut nécessiter de recourir à un système complexe à plusieurs antennes chacune étant associée à une fonction particulière, ces antennes émettant chacune dans des plages de fréquence distinctes.These antennas are used in particular for telemetry, trajectography, or the satellite positioning system (“Global Navigation Satellite System”, “GNSS”). The performance of these functions may require the use of a complex system with several antennas, each being associated with a particular function, these antennas each transmitting in distinct frequency ranges.
Il est, par conséquent, souhaitable de disposer d’une antenne apte à émettre avec une couverture améliorée dans plusieurs bandes de fréquence distinctes pour la réalisation de plusieurs fonctions de communication tout en conservant un encombrement limité et un système simple.It is therefore desirable to have an antenna capable of transmitting with improved coverage in several distinct frequency bands for the performance of several communication functions while maintaining a limited bulk and a simple system.
La présente invention concerne une antenne comprenant :
- un élément d’antenne rayonnant apte à émettre un signal dans au moins une première bande de fréquence et dans une deuxième bande de fréquence, disjointe de la première bande et à plus haute fréquence que celle-ci, et
- un guide d’ondes recouvert par l’élément d’antenne rayonnant, comprenant au moins une première cavité résonante et monomode ou majoritairement monomode dans la première bande de fréquence, et une deuxième cavité résonante distincte de la première cavité résonante et située à l’intérieur de celle-ci, ladite deuxième cavité résonante étant monomode ou majoritairement monomode dans la deuxième bande de fréquence.The present invention relates to an antenna comprising:
- a radiating antenna element able to emit a signal in at least a first frequency band and in a second frequency band, separate from the first band and at a higher frequency than the latter, and
- a waveguide covered by the radiating antenna element, comprising at least a first resonant cavity and monomode or predominantly monomode in the first frequency band, and a second resonant cavity distinct from the first resonant cavity and located at the inside the latter, said second resonant cavity being single-mode or predominantly single-mode in the second frequency band.
Par « monomode », il faut comprendre que seul le mode fondamental de la cavité résonante considérée peut se propager. Par « majoritairement monomode », il faut comprendre que la cavité résonante considérée est monomode sur au moins 50%, par exemple au moins 75%, de la bande de fréquence considérée. Dans ce cas, la cavité résonante peut ne pas être monomode sur au moins une extrémité de la bande de fréquence, elle peut être sans mode ou bi-mode sur cette extrémité.By “monomode”, it should be understood that only the fundamental mode of the resonant cavity considered can propagate. By “mainly monomode”, it should be understood that the resonant cavity considered is monomode over at least 50%, for example at least 75%, of the frequency band considered. In this case, the resonant cavity may not be single-mode on at least one end of the frequency band, it may be modeless or dual-mode on this end.
L’emploi de la première cavité résonante seule permet d’élargir le spectre de fréquence d’émission mais autorise l’excitation de modes résonants d’ordre supérieur qui peuvent perturber le diagramme de rayonnement dans la deuxième bande de fréquence, en particulier aux angles d’élévation faibles. L’ajout de la deuxième cavité résonante à l’intérieur de la première cavité résonante permet avantageusement d’obtenir un gain amélioré dans la deuxième bande de fréquence, en particulier aux angles d’élévation faibles, en n’autorisant pas la propagation de ces modes d’ordre supérieur tout en conservant un encombrement limité et un système simple, sans modification des dimensions de l’antenne par rapport à la présence seule de la première cavité. L’invention fournit ainsi une antenne à couverture améliorée dans plusieurs bandes de fréquence distinctes pour la réalisation de plusieurs fonctions de communication.The use of the first resonant cavity alone makes it possible to broaden the emission frequency spectrum but allows the excitation of higher order resonant modes which can disturb the radiation pattern in the second frequency band, in particular at angles low elevations. The addition of the second resonant cavity inside the first resonant cavity advantageously makes it possible to obtain an improved gain in the second frequency band, in particular at low elevation angles, by not allowing the propagation of these higher order modes while maintaining a limited bulk and a simple system, without modifying the dimensions of the antenna with respect to the presence of the first cavity alone. The invention thus provides an antenna with improved coverage in several distinct frequency bands for performing several communication functions.
Dans un exemple de réalisation, l’élément d’antenne rayonnant est présent sur un substrat recouvrant le guide d’ondes, et l’antenne présente une ou plusieurs ouvertures entre une paroi délimitant la première cavité et le substrat.In an exemplary embodiment, the radiating antenna element is present on a substrate covering the waveguide, and the antenna has one or more openings between a wall delimiting the first cavity and the substrate.
Une telle caractéristique permet d’obtenir un gain amélioré aux faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence.Such a feature provides improved gain at low elevation angles in the second frequency band.
En particulier, un bord de ladite paroi situé du côté du substrat peut avoir une forme en créneau définissant ainsi une pluralité d’ouvertures entre ladite paroi et le substrat.In particular, an edge of said wall located on the side of the substrate may have a slotted shape thus defining a plurality of openings between said wall and the substrate.
Une telle caractéristique permet d’obtenir un gain amélioré aux faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence tout en limitant la baisse du gain dans la première bande de fréquence.Such a feature provides improved gain at low elevation angles in the second frequency band while limiting the gain drop in the first frequency band.
Dans un exemple de réalisation, un rapport RA1 H1/H2 est compris entre 1 et 3,25, où H1 désigne une hauteur de la première cavité et H2 une hauteur de la deuxième cavité.In an exemplary embodiment, a ratio RA1 H1/H2 is between 1 and 3.25, where H1 denotes a height of the first cavity and H2 a height of the second cavity.
Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore le gain aux faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence.Such a feature makes it possible to further improve the gain at low elevation angles in the second frequency band.
Une hauteur optimale pour la deuxième cavité H2 fournissant un gain optimal aux faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence peut être déterminée par une étude paramétrique. A ce titre, le rapport RA1 est de préférence compris entre 1,28 et 2,2.An optimal height for the second cavity H2 providing optimal gain at low elevation angles in the second frequency band can be determined by a parametric study. As such, the RA1 ratio is preferably between 1.28 and 2.2.
Dans un exemple de réalisation, la première bande de fréquence correspond aux fréquences comprises entre 1164 MHz et 1591 MHz et la deuxième bande de fréquence correspond aux fréquences comprises entre 2200 MHz et 2290 MHz.In an exemplary embodiment, the first frequency band corresponds to frequencies between 1164 MHz and 1591 MHz and the second frequency band corresponds to frequencies between 2200 MHz and 2290 MHz.
Selon cet exemple, la première bande de fréquence correspond à l’application relative au système de positionnement par satellites (« GNSS ») et la deuxième bande de fréquence aux applications de télémesure.According to this example, the first frequency band corresponds to the application relating to the satellite positioning system (“GNSS”) and the second frequency band to the telemetry applications.
L’invention vise également un véhicule équipé d’au moins une antenne telle que décrite plus haut. Le véhicule peut être un véhicule spatial, comme un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite. L’emploi de l’antenne décrite n’est pas limité à une application spatiale, celle-ci pouvant être utilisée sur d’autres véhicules comme un train, une voiture ou un aéronef.The invention also relates to a vehicle equipped with at least one antenna as described above. The vehicle can be a space vehicle, such as a space launch vehicle, an exploration vehicle or a satellite. The use of the antenna described is not limited to a space application, it can be used on other vehicles such as a train, a car or an aircraft.
La figure 1 représente un premier exemple d’antenne 1 selon l’invention comprenant un substrat 3 sur lequel est présent un élément d’antenne rayonnant 5. Le substrat 3 peut être un substrat diélectrique. Le substrat 3 peut être en matériau composite, par exemple renforcé par du verre. On peut utiliser un substrat 3 commercialisé sous la référence RO3210® par la société ROGERS Corporation. Le substrat 3 peut avoir une forme plane. On notera toutefois que la présence du substrat 3 n’est pas nécessaire, l’élément d’antenne rayonnant pouvant en variante être formé par une partie métallique autoporteuse.FIG. 1 represents a first example of antenna 1 according to the invention comprising a substrate 3 on which is present a radiating antenna element 5. Substrate 3 can be a dielectric substrate. The substrate 3 can be made of a composite material, for example reinforced with glass. It is possible to use a substrate 3 marketed under the reference RO3210® by the company ROGERS Corporation. Substrate 3 may have a planar shape. It will however be noted that the presence of the substrate 3 is not necessary, the radiating antenna element being able as a variant to be formed by a self-supporting metallic part.
L’élément rayonnant 5 est, dans l’exemple illustré, de type double dipôles croisés ou dipôles croisés asymétriques bi-bande et comprend une première paire de dipôles 5a et 5b qui sont perpendiculaires entre eux et alimentés avec un déphasage de 90°, et une deuxième paire de dipôles 5c et 5d, distincte de la première paire, qui sont perpendiculaires entre eux et alimentés avec un déphasage de 90°. Les dipôles 5a et 5b de la première paire ont une longueur différente des dipôles 5c et 5d de la deuxième paire. Les dipôles 5a-5d des première et deuxième paires ont chacun une forme trapézoïdale dans l’exemple illustré. Les dipôles 5a-5d forment dans l’exemple illustré un élément rayonnant 5 ayant une structure en nœud papillon (de l’anglais « bow-tie »). Les dipôles 5a-5d sont présents des deux côtés du substrat (sur la face supérieure et sur sa face inférieure opposée). L’élément rayonnant 5 est apte à émettre un signal dans le spectre radiofréquences, ce signal ayant une polarisation circulaire dans au moins une première bande de fréquence et dans une deuxième bande de fréquence, disjointe de la première bande et à plus haute fréquence que celle-ci. A titre d’exemple, la première bande de fréquence peut correspondre aux fréquences comprises entre 1164 MHz et 1591 MHz et la deuxième bande de fréquence aux fréquences comprises entre 2200 MHz et 2290 MHz. Un câble coaxial 6 alimente l’élément rayonnant 5. L’élément rayonnant 5 de type double dipôles croisés ou dipôles croisés asymétriques bi-bande est connu en soi, l’invention n’est néanmoins pas limitée à ce type d’élément rayonnant, on peut en variante utiliser un élément rayonnant formé par un dipôle croisé ou d’autres types d’éléments rayonnants bi-bande ou large bande tels que des dipôles croisés couplés à des résonateurs par exemple, par exemple. L’élément rayonnant 5 peut avoir une forme plane, comme illustré. L’élément rayonnant 5 peut être dépourvu d’éléments verticaux, dirigés le long de la direction Z, perpendiculaire au plan P contenant l’élément rayonnant 5 et le substrat 3 dans l’exemple illustré.The radiating element 5 is, in the example illustrated, of the double crossed dipole or bi-band asymmetric crossed dipole type and comprises a first pair of dipoles 5a and 5b which are mutually perpendicular and supplied with a phase shift of 90°, and a second pair of dipoles 5c and 5d, distinct from the first pair, which are mutually perpendicular and supplied with a phase shift of 90°. The dipoles 5a and 5b of the first pair have a different length from the dipoles 5c and 5d of the second pair. The dipoles 5a-5d of the first and second pairs each have a trapezoidal shape in the example shown. The dipoles 5a-5d form in the illustrated example a radiating element 5 having a bow-tie structure. The dipoles 5a-5d are present on both sides of the substrate (on the upper face and on its opposite lower face). The radiating element 5 is able to emit a signal in the radiofrequency spectrum, this signal having a circular polarization in at least a first frequency band and in a second frequency band, separate from the first band and at a higher frequency than that -this. By way of example, the first frequency band may correspond to frequencies between 1164 MHz and 1591 MHz and the second frequency band to frequencies between 2200 MHz and 2290 MHz. A coaxial cable 6 supplies the radiating element 5. The radiating element 5 of the double crossed dipole or bi-band asymmetrical crossed dipole type is known per se, the invention is nevertheless not limited to this type of radiating element, as a variant, it is possible to use a radiating element formed by a crossed dipole or other types of dual-band or wide-band radiating elements such as crossed dipoles coupled to resonators for example, for example. The radiating element 5 can have a flat shape, as illustrated. The radiating element 5 can be devoid of vertical elements, directed along the direction Z, perpendicular to the plane P containing the radiating element 5 and the substrate 3 in the example illustrated.
L’élément rayonnant 5 recouvre un guide d’ondes 7. Le guide d’ondes 7 comprend dans sa partie inférieure, ou à sa base, un réflecteur 9. En l’absence du guide d’ondes 7 et du réflecteur 9, l’élément rayonnant 5 émet un signal ayant une polarisation circulaire vers le haut le long de la direction Z représentée mais aussi vers le bas avec un sens de polarisation opposé. Le réflecteur 9 permet d’obtenir un signal de polarisation circulaire unidirectionnel le long de la direction Z, ici uniquement dirigé vers le haut (dans la direction opposée au réflecteur 9), en réfléchissant la composante de signal émise vers le bas et en inversant son sens de polarisation du fait de cette réflexion.The radiating element 5 covers a waveguide 7. The waveguide 7 comprises in its lower part, or at its base, a reflector 9. In the absence of the waveguide 7 and the reflector 9, the The radiating element 5 emits a signal having a circular polarization upwards along the direction Z shown but also downwards with an opposite direction of polarization. The reflector 9 makes it possible to obtain a unidirectional circular polarization signal along the Z direction, here only directed upwards (in the direction opposite to the reflector 9), by reflecting the emitted signal component downwards and inverting its direction of polarization due to this reflection.
Le guide d’ondes 7 comprend une première cavité résonante 11 qui est monomode ou majoritairement monomode dans la première bande de fréquence. La première cavité résonante 11 peut ne pas être monomode, ni majoritairement monomode, dans la deuxième bande de fréquence. Le guide d’ondes 7 comprend en outre une deuxième cavité résonante 13 qui est distincte de la première cavité 11 et emboîtée dans cette dernière. La deuxième cavité résonante 13 est monomode ou majoritairement monomode dans la deuxième bande de fréquence. La deuxième cavité 13 peut ne pas être monomode, ni majoritairement monomode, dans la première bande de fréquence. La première cavité 11 participe à augmenter le gain dans la demi-sphère supérieure, grâce à la présence du réflecteur 9 qui réfléchit les ondes vers le haut, faisant ainsi augmenter le gain dans la demi-sphère supérieure, et à élargir la bande de fréquences dans laquelle émet l’antenne 1 en permettant la génération d’un deuxième signal polarisé circulairement en plus du signal généré par l’élément rayonnant et correspondant à une plage de fréquence distincte. Si seule la première cavité 11 est utilisée, il y a génération de modes d’ordre supérieur au-delà de la fréquence de coupure du deuxième mode TM01 ce qui perturbe le gain dans la deuxième bande de fréquence, en particulier aux angles d’élévation faibles. L’ajout de la deuxième cavité 13 permet une amélioration significative du gain aux faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence en ne permettant d’exciter que les premiers modes dans la deuxième bande de fréquence.The waveguide 7 comprises a first resonant cavity 11 which is single-mode or predominantly single-mode in the first frequency band. The first resonant cavity 11 may not be monomode, nor predominantly monomode, in the second frequency band. The waveguide 7 further comprises a second resonant cavity 13 which is separate from the first cavity 11 and nested in the latter. The second resonant cavity 13 is monomode or mostly monomode in the second frequency band. The second cavity 13 may not be monomode, nor predominantly monomode, in the first frequency band. The first cavity 11 participates in increasing the gain in the upper hemisphere, thanks to the presence of the reflector 9 which reflects the waves upwards, thus increasing the gain in the upper hemisphere, and widening the frequency band in which the antenna 1 emits, allowing the generation of a second circularly polarized signal in addition to the signal generated by the radiating element and corresponding to a distinct frequency range. If only the first cavity 11 is used, there is generation of higher order modes beyond the cutoff frequency of the second mode TM01 which disturbs the gain in the second frequency band, in particular at the elevation angles weak. The addition of the second cavity 13 allows a significant gain improvement at low elevation angles in the second frequency band by only allowing the first modes to be excited in the second frequency band.
L’élément rayonnant 5 est situé au-dessus des première 11 et deuxième 13 cavités du côté opposé au réflecteur 9. Le guide d’ondes 7 est, dans l’exemple illustré, fermé dans sa partie inférieure par le réflecteur 9 qui définit une base commune aux première 11 et deuxième 13 cavités et délimite ces dernières. Le réflecteur 9 est au contact des première 11 et deuxième 13 cavités. Le guide d’ondes 7 est ouvert dans sa partie supérieure, opposée au réflecteur 9, en l’absence de l’élément rayonnant 5 et du substrat 3. Les première 11 et deuxième 13 cavités sont fermées dans leur partie inférieure par le réflecteur 9 et fermées latéralement, et sont ouvertes dans leur partie supérieure opposée au réflecteur 9, en l’absence de l’élément rayonnant 5 et du substrat 3. Les première 11 et deuxième 13 cavités sont situées en dessous de l’élément rayonnant 5. Dans l’exemple illustré, le substrat 3 positionné sur le guide d’ondes 7 ferme ce dernier et la première cavité 11 en venant au contact de cette dernière. L’invention n’impose pas un tel contact comme il sera décrit plus bas. L’ensemble des première 11 et deuxième 13 cavités et du réflecteur 9 peut être entièrement métallique. La première cavité 11 a des dimensions supérieures à la deuxième cavité 13. La deuxième cavité 13 a une hauteur H2 inférieure ou égale à la hauteur H1 de la première cavité 11. La plus grande dimension D1 de la première cavité 11 est supérieure à la plus grande dimension D2 de la deuxième cavité 13. Ces plus grandes dimensions D1 et D2 peuvent être des diamètres dans l’exemple illustré d’une géométrie circulaire pour les première 11 et deuxième 13 cavités. La deuxième cavité 13 est centrée par rapport à la première cavité 11. Dans l’exemple illustré, les première et deuxième cavités ont chacune une forme circulaire, mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque ces dernières ont une forme différente, comme une forme polygonale par exemple rectangulaire ou octogonale, comme il sera décrit plus bas. Les parois des première 11 et deuxième 13 cavités peuvent être pleines, c’est-à-dire dépourvues de fente ou de manque de matière. Le câble coaxial 6 s’étend à l’intérieur des première 11 et deuxième 13 cavités au travers de ces dernières.The radiating element 5 is located above the first 11 and second 13 cavities on the side opposite the reflector 9. The waveguide 7 is, in the example illustrated, closed in its lower part by the reflector 9 which defines a base common to the first 11 and second 13 cavities and delimits the latter. The reflector 9 is in contact with the first 11 and second 13 cavities. The waveguide 7 is open in its upper part, opposite the reflector 9, in the absence of the radiating element 5 and of the substrate 3. The first 11 and second 13 cavities are closed in their lower part by the reflector 9 and closed laterally, and are open in their upper part opposite the reflector 9, in the absence of the radiating element 5 and of the substrate 3. The first 11 and second 13 cavities are located below the radiating element 5. In In the example illustrated, the substrate 3 positioned on the waveguide 7 closes the latter and the first cavity 11 by coming into contact with the latter. The invention does not impose such contact as will be described below. All of the first 11 and second 13 cavities and the reflector 9 can be entirely metallic. The first cavity 11 has dimensions greater than the second cavity 13. The second cavity 13 has a height H2 less than or equal to the height H1 of the first cavity 11. The largest dimension D1 of the first cavity 11 is greater than the largest large dimension D2 of the second cavity 13. These largest dimensions D1 and D2 can be diameters in the illustrated example of a circular geometry for the first 11 and second 13 cavities. The second cavity 13 is centered with respect to the first cavity 11. In the example illustrated, the first and second cavities each have a circular shape, but the scope of the invention is not departed from when the latter have a different shape, as a polygonal shape, for example rectangular or octagonal, as will be described below. The walls of the first 11 and second 13 cavities can be solid, that is to say devoid of slits or lack of material. The coaxial cable 6 extends inside the first 11 and second 13 cavities through the latter.
Comme indiqué plus haut, le rapport RA1 H1/H2 peut être compris entre 1 et 3,25, par exemple entre 1,28 et 2,2.As indicated above, the RA1 H1/H2 ratio can be between 1 and 3.25, for example between 1.28 and 2.2.
Selon un exemple, le rapport RA2 D1/D2 peut être compris entre 1,19 et 2,1. La modification du rapport RA2 permet de moduler les bandes de fréquence dans lesquelles l’antenne 1 émet en fonction de l’application souhaitée.According to one example, the RA2 D1/D2 ratio can be between 1.19 and 2.1. The modification of the RA2 ratio makes it possible to modulate the frequency bands in which the antenna 1 transmits according to the desired application.
Les première 11 et deuxième 13 cavités sont dimensionnées de sorte à être monomodes ou majoritairement monomodes dans la première bande de fréquence et dans la deuxième bande de fréquence respectivement. Le choix des dimensions à adopter pour ce faire fait partie des connaissances générales de l’homme du métier. Par exemple, les rayons des cavités 11 et 13 peuvent être définis en fonction des fréquences de coupure d’un guide d’ondes circulaire calculées en utilisant la formule ci-dessous.The first 11 and second 13 cavities are sized so as to be single-mode or predominantly single-mode in the first frequency band and in the second frequency band respectively. The choice of dimensions to adopt for this is part of the general knowledge of those skilled in the art. For example, the radii of cavities 11 and 13 can be defined according to the cutoff frequencies of a circular waveguide calculated using the formula below.
Dans la formule ci-dessus p’nmdésignent les racines des fonctions de Bessel de première espèce, a le rayon du guide d’ondes recherché, ε and μ la permittivité diélectrique et la perméabilité magnétique du milieu respectivement. Les paramètres n et m correspondent à l’ordre du mode guidé par la section de la cavité, ici circulaire.In the above formula p' nm designate the roots of the Bessel functions of the first kind, a the radius of the waveguide sought, ε and μ the dielectric permittivity and the magnetic permeability of the medium respectively. The parameters n and m correspond to the order of the mode guided by the section of the cavity, here circular.
A titre d’exemple pour une première bande de fréquence allant de 1164 MHz à 1591 MHz et une deuxième bande de fréquence allant de 2200 MHz à 2290 MHz, on peut utiliser un guide d’ondes 7 ayant un rayon R1 compris entre 125 mm et 155 mm, par exemple compris entre 135 mm et 150 mm, un rayon R2 compris entre 75 mm et 105 mm, par exemple compris entre 80 mm et 95 mm, une hauteur H1 comprise entre 35 mm et 60 mm, par exemple comprise entre 45 mm et 55 mm, et une hauteur H2 comprise entre 25 mm et 40 mm, par exemple comprise entre 25 mm et 35 mm. Sauf mention contraire, les rayons R1 et R2 sont respectivement pris comme étant égaux à la moitié de plus grande dimension de la première et de la deuxième cavité et ne sous-entendent pas nécessairement que le guide d’ondes soit de géométrie circulaire. Ces valeurs ont été déterminées en prenant une permittivité diélectrique et une perméabilité magnétique du milieu remplissant les cavités égale à 1 (permittivité et perméabilité du vide).By way of example for a first frequency band ranging from 1164 MHz to 1591 MHz and a second frequency band ranging from 2200 MHz to 2290 MHz, it is possible to use a waveguide 7 having a radius R1 of between 125 mm and 155 mm, for example between 135 mm and 150 mm, a radius R2 between 75 mm and 105 mm, for example between 80 mm and 95 mm, a height H1 between 35 mm and 60 mm, for example between 45 mm and 55 mm, and a height H2 comprised between 25 mm and 40 mm, for example comprised between 25 mm and 35 mm. Unless otherwise stated, the radii R1 and R2 are respectively taken as being equal to the largest half of the dimension of the first and the second cavity and do not necessarily imply that the waveguide is of circular geometry. These values were determined by taking a dielectric permittivity and a magnetic permeability of the medium filling the cavities equal to 1 (permittivity and permeability of the vacuum).
A titre d’exemple pour une première bande de fréquence allant de 1164 MHz à 1591 MHz et une deuxième bande de fréquence allant de 2200 MHz à 2290 MHz, on peut utiliser un guide d’ondes 7 ayant un rayon R1 de 140 mm, un rayon R2 de 90 mm, une hauteur H1 comprise entre 35 mm et 60 mm, par exemple comprise entre 45 mm et 55 mm, et une hauteur H2 comprise entre 25 mm et 40 mm, par exemple comprise entre 25 mm et 35 mm.By way of example for a first frequency band ranging from 1164 MHz to 1591 MHz and a second frequency band ranging from 2200 MHz to 2290 MHz, it is possible to use a waveguide 7 having a radius R1 of 140 mm, a radius R2 of 90 mm, a height H1 comprised between 35 mm and 60 mm, for example comprised between 45 mm and 55 mm, and a height H2 comprised between 25 mm and 40 mm, for example comprised between 25 mm and 35 mm.
Toujours à titre d’exemple pour une première bande de fréquence allant de 1164 MHz à 1591 MHz et une deuxième bande de fréquence allant de 2200 MHz à 2290 MHz, on peut utiliser un guide d’ondes 7 ayant une hauteur H1 de 50 mm, une hauteur H2 de 25 mm, un rayon R1 compris entre 125 mm et 155 mm, par exemple compris entre 135 mm et 150 mm, et un rayon R2 compris entre 75 mm et 105 mm, par exemple compris entre 80 mm et 95 mm.Still by way of example for a first frequency band ranging from 1164 MHz to 1591 MHz and a second frequency band ranging from 2200 MHz to 2290 MHz, it is possible to use a waveguide 7 having a height H1 of 50 mm, a height H2 of 25 mm, a radius R1 comprised between 125 mm and 155 mm, for example comprised between 135 mm and 150 mm, and a radius R2 comprised between 75 mm and 105 mm, for example comprised between 80 mm and 95 mm.
On a représenté à la figure 2 un deuxième exemple d’antenne 10 selon l’invention qui ne diffère de l’exemple de la figure 1 qu’en ce que une ouverture 20 est présente entre la première cavité 11 et le substrat 3. Les mêmes symboles de référence ont été repris pour les éléments similaires. L’ouverture 20 s’étend à 360° autour de l’axe des première 11 et deuxième 13 cavités, correspondant à l’axe Z. La hauteur H3 de l’ouverture 20 peut être inférieure ou égale à H1-H2, par exemple inférieure ou égale à 25 mm, par exemple comprise entre 0,25 mm et 25 mm. L’augmentation de H3 permet d’améliorer davantage le gain pour les faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence. Il est néanmoins préférable de ne pas trop augmenter H3 afin de ne pas trop abaisser le gain dans la première bande de fréquence. Selon les besoins en gain des deux bandes de fréquence, ce paramètre H3 offre un degré de liberté supplémentaire pour optimiser l’antenne. Dans cet exemple, le substrat 3 n’est pas en contact avec la première cavité 11 et est présent à une distance non nulle prédéterminée de cette dernière.There is shown in Figure 2 a second example of antenna 10 according to the invention which differs from the example of Figure 1 only in that an opening 20 is present between the first cavity 11 and the substrate 3. same reference symbols have been used for similar elements. The opening 20 extends 360° around the axis of the first 11 and second 13 cavities, corresponding to the Z axis. The height H3 of the opening 20 can be less than or equal to H1-H2, for example less than or equal to 25 mm, for example between 0.25 mm and 25 mm. Increasing H3 further improves the gain for low elevation angles in the second frequency band. It is nevertheless preferable not to increase H3 too much so as not to lower the gain too much in the first frequency band. Depending on the gain requirements of the two frequency bands, this parameter H3 offers an additional degree of freedom to optimize the antenna. In this example, the substrate 3 is not in contact with the first cavity 11 and is present at a predetermined non-zero distance from the latter.
On a représenté à la figure 3 un troisième exemple d’antenne 100 selon l’invention qui ne diffère de l’exemple de la figure 1 qu’en ce que un bord 22 de la paroi 110 de la première cavité a une forme crénelée définissant une pluralité d’ouvertures 24 entre le substrat 3 et la paroi 110. Les ouvertures 24 peuvent chacune avoir la même forme et/ou les mêmes dimensions. En variante, les ouvertures 24 diffèrent en termes de forme et/ou de dimensions. Les ouvertures 24 peuvent comme illustré être présentes tout autour de l’axe Z des première et deuxième cavités (à 360° autour de cet axe Z). Les ouvertures 24 peuvent ou non être régulièrement réparties autour de l’axe Z des première et deuxième cavités. Comme décrit plus haut, la hauteur H4 des ouvertures 24 peut inférieure ou égale à H1-H2, par exemple inférieure ou égale à 25 mm, par exemple comprise entre 0,25 mm et 25 mm. Comme plus haut pour le cas de l’ouverture 20, l’augmentation de H4 permet d’améliorer davantage le gain pour les faibles angles d’élévation dans la deuxième bande de fréquence. Il est néanmoins préférable de ne pas trop augmenter H4 afin de ne pas trop abaisser le gain dans la première bande de fréquence. On notera que les ouvertures 24 ont les mêmes effets que l’ouverture 20 mais en ayant un impact moindre sur le gain de la première bande de fréquence (augmenter la hauteur des ouvertures 24 abaisse moins le gain dans la première bande de fréquence). There is shown in Figure 3 a third example of antenna 100 according to the invention which differs from the example of Figure 1 only in that an edge 22 of the wall 110 of the first cavity has a crenellated shape defining a plurality of openings 24 between the substrate 3 and the wall 110. The openings 24 can each have the same shape and/or the same dimensions. Alternatively, the apertures 24 differ in shape and/or size. The openings 24 can as illustrated be present all around the axis Z of the first and second cavities (at 360° around this axis Z). The openings 24 may or may not be regularly distributed around the Z axis of the first and second cavities. As described above, the height H4 of the openings 24 can be less than or equal to H1-H2, for example less than or equal to 25 mm, for example between 0.25 mm and 25 mm. As above for the case of the aperture 20, the increase in H4 makes it possible to further improve the gain for the low elevation angles in the second frequency band. It is nevertheless preferable not to increase H4 too much so as not to lower the gain too much in the first frequency band. It will be noted that the openings 24 have the same effects as the opening 20 but having a lesser impact on the gain of the first frequency band (increasing the height of the openings 24 lowers the gain in the first frequency band less).
On vient de décrire des exemples de guide d’ondes ayant une géométrie circulaire mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque le guide d’ondes a une autre géométrie comme une forme polygonale, par exemple rectangulaire ou octogonale. L’homme du métier sait dimensionner les cavités résonantes pour des géométries autres que circulaires en utilisant d’autres formules que la formule [Math. 1] indiquée plus haut pour le cas circulaire. En outre, les exemples qui viennent d’être décrits comprennent seulement deux cavités résonantes 11 et 13 mais on ne sort pas du cadre de l’invention si le guide d’ondes comprend plus de deux cavités résonantes, par exemple trois cavités résonantes emboîtées, la troisième cavité résonante étant monomode ou majoritairement monomode dans une troisième bande de fréquence disjointe des première et deuxième bandes de fréquences. Cela permet d’avoir une antenne émettant avec un gain amélioré dans plus de deux bandes de fréquence.Examples of a waveguide having a circular geometry have just been described, but this does not depart from the scope of the invention when the waveguide has another geometry such as a polygonal shape, for example rectangular or octagonal. A person skilled in the art knows how to size resonant cavities for geometries other than circular using formulas other than the formula [Math. 1] indicated above for the circular case. In addition, the examples which have just been described comprise only two resonant cavities 11 and 13 but it does not depart from the scope of the invention if the waveguide comprises more than two resonant cavities, for example three nested resonant cavities, the third resonant cavity being single-mode or predominantly single-mode in a third frequency band separate from the first and second frequency bands. This makes it possible to have an antenna transmitting with improved gain in more than two frequency bands.
On a représenté à la figure 4 un diagramme montrant le gain en fonction de la fréquence pour θ = 90° par rapport à la direction Z, correspondant à l’horizon donc à un angle d’élévation de 0°. Cette figure fait figurer la valeur minimale du gain tout angle d’azimut confondu. Le diagramme est un diagramme comparatif montrant l’effet de l’ajout de la deuxième cavité 13 dans une première cavité 11 ou 110, et montrant l’influence de la présence des ouvertures 20 ou 24. Les première 11 ou 110 et deuxième 13 cavités étant toutes deux dans cet essai de géométrie circulaire comme aux figures 1 à 3, avec un rayon R1 = 140 mm, un rayon R2 = 90 mm, une hauteur H1 = 50 mm et une hauteur H2 = 25 mm. L’ouverture 20 a une hauteur H3 de 10 mm et les ouvertures 24 une hauteur H4 de 15 mm. La courbe A1 correspond au gain obtenu avec les première 11 et deuxième 13 cavités sans ouverture comme à la figure 1, la courbe A2 au gain obtenu avec l’ouverture 20 comme à la figure 2, la courbe A3 au gain obtenu avec les ouvertures 24 comme à la figure 3 et la courbe B correspond au gain obtenu sans la deuxième cavité 13, seulement avec la première cavité 11. On constate une amélioration significative du gain dans la deuxième bande de fréquence comprise entre 2200 MHz et 2290 MHz lorsque la deuxième cavité 13 est présente. On constate en outre une amélioration supplémentaire du gain dans la deuxième bande de fréquence lorsque les ouvertures 20 et 24 sont présentes.Figure 4 shows a diagram showing the gain as a function of the frequency for θ = 90° with respect to the Z direction, corresponding to the horizon and therefore at an elevation angle of 0°. This figure shows the minimum gain value for all azimuth angles. The diagram is a comparative diagram showing the effect of the addition of the second cavity 13 in a first cavity 11 or 110, and showing the influence of the presence of the openings 20 or 24. The first 11 or 110 and second 13 cavities both being in this circular geometry test as in FIGS. 1 to 3, with a radius R1=140 mm, a radius R2=90 mm, a height H1=50 mm and a height H2=25 mm. Opening 20 has a height H3 of 10 mm and openings 24 have a height H4 of 15 mm. Curve A1 corresponds to the gain obtained with the first 11 and second 13 cavities without an opening as in FIG. 1, curve A2 to the gain obtained with opening 20 as in FIG. 2, curve A3 to the gain obtained with openings 24 as in FIG. 3 and curve B corresponds to the gain obtained without the second cavity 13, only with the first cavity 11. There is a significant improvement in the gain in the second frequency band between 2200 MHz and 2290 MHz when the second cavity 13 is present. There is also an additional improvement in the gain in the second frequency band when the openings 20 and 24 are present.
On a représenté à la figure 5 un diagramme de gain à une fréquence de 2300 MHz en fonction de l’angle θ par rapport à la direction Z en abscisses, θ = 90° correspondant à l’horizon donc à un angle d’élévation de 0°, et de l’azimut en ordonnée. L’antenne évaluée comportait un élément d’antenne rayonnant de type double dipôles croisés présent sur un substrat commercialisé sous la référence RO3210® par la société ROGERS Corporation et présentait uniquement une première cavité résonante (pas de deuxième cavité) de forme carrée de côté 140 mm et de hauteur 50 mm.There is shown in Figure 5 a gain diagram at a frequency of 2300 MHz as a function of the angle θ with respect to the direction Z on the abscissa, θ = 90° corresponding to the horizon therefore to an elevation angle of 0°, and the azimuth on the ordinate. The antenna evaluated comprised a radiating antenna element of the double crossed dipole type present on a substrate marketed under the reference RO3210® by the company ROGERS Corporation and presented only a first resonant cavity (no second cavity) of square shape with a side of 140 mm and height 50 mm.
La figure 6 montre le diagramme de gain obtenu à cette fréquence pour une antenne identique à celle de la figure 5 mais qui comprenait en outre une deuxième cavité à l’intérieur de la première cavité. La deuxième cavité avait une forme carrée de côté 90 mm et une hauteur de 25 mm. On constate une amélioration significative du gain pour les faibles angles d’élévation.Figure 6 shows the gain diagram obtained at this frequency for an antenna identical to that of Figure 5 but which also included a second cavity inside the first cavity. The second cavity had a square shape with a side of 90 mm and a height of 25 mm. There is a significant improvement in gain for low elevation angles.
La figure 7 montre le diagramme de gain obtenu à cette fréquence pour une antenne qui avait une première et une deuxième cavités de forme octogonale. La première cavité avait une plus grande dimension de 140 mm et une hauteur de 50 mm et la deuxième cavité une plus grande dimension de 90 mm et une hauteur de 25 mm. On constate aussi une amélioration significative du gain pour les faibles angles d’élévation par rapport au cas de la figure 5.Figure 7 shows the gain diagram obtained at this frequency for an antenna which had a first and a second octagonal-shaped cavity. The first cavity had a greater dimension of 140 mm and a height of 50 mm and the second cavity had a greater dimension of 90 mm and a height of 25 mm. There is also a significant improvement in gain for low elevation angles compared to the case of Figure 5.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.The expression “between … and …” must be understood as including the limits.
Claims (8)
- un élément d’antenne (5) rayonnant apte à émettre un signal dans au moins une première bande de fréquence et dans une deuxième bande de fréquence, disjointe de la première bande et à plus haute fréquence que celle-ci, et
- un guide d’ondes (7) recouvert par l’élément d’antenne rayonnant, comprenant au moins une première cavité (11) résonante et monomode ou majoritairement monomode dans la première bande de fréquence, et une deuxième cavité (13) résonante distincte de la première cavité résonante et située à l’intérieur de celle-ci, ladite deuxième cavité résonante étant monomode ou majoritairement monomode dans la deuxième bande de fréquence.Antenna (1; 10; 100) comprising:
- a radiating antenna element (5) able to emit a signal in at least a first frequency band and in a second frequency band, separate from the first band and at a higher frequency than the latter, and
- a waveguide (7) covered by the radiating antenna element, comprising at least a first cavity (11) resonant and monomode or predominantly monomode in the first frequency band, and a second distinct resonant cavity (13) of the first resonant cavity and located inside the latter, said second resonant cavity being single-mode or predominantly single-mode in the second frequency band.
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